perovskite solar cell, low dimensional materials, nanotubes, graphene, fullerene
megadott besorolás
Szilárdtestfizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
70 %
Ortelius tudományág: Szilárdtestfizika
Anyagtudomány és Technológia (fizika) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
30 %
Ortelius tudományág: Nanotechnológia
zsűri
Fizika 1
Kutatóhely
SZFI - Kísérleti Szilárdtest-fizikai Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők
Botka Bea Cadena Ana Cristina Datz Dániel Kamarás Katalin Kováts Éva Németh Gergely Özeren Mehmet Derya Pekker Sándor
projekt kezdete
2021-09-01
projekt vége
2023-12-31
aktuális összeg (MFt)
20.215
FTE (kutatóév egyenérték)
9.06
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A projekt során perovszkit alapú napelemek néhány kiemelt fontosságú problémájával tervezünk foglalkozni. Ezen nehézségek jórésze abból adódik, hogy ezek az anyagok érzékenyek a külső körülményekre, mint például az oxigén és pára jelenléte, továbbá a magas hőmérséklet és a fény. A tervünk az, hogy alacsony dimenziós szén szerkezeteket építünk be a napelem rétegeibe. Ezen anyagok nagyrésze eleve jó vezetési tulajdonságokkal rendelkezik, de ahhoz hogy a felhasználásával készült napelem jó hatékonyságú legyen kémiai módosításnak kell alávetni. A hatékonyságon túl a napelemek stabilitására is kiemelt figyelmet fordítunk, mivel a környezeti hatásokkal szembeni érzékenysége a fő akadálya ezeknek az új típusú napelemeknek a kereskedelmi forgalomba kerülésének. Megvizsgáljuk az egyes összetevők optikai tulajdonságait, töltés szállítási képességét és stabilitását, illetve külön figyelmet fordítunk a perovszkit és az azt körülfogó rétegek határfelületének vizsgálatára, hogy felismerjük és elhárítsuk a stabilitást rontó körülményeket. Az összetevők kémiai módosításával tudjuk egymáshoz hangolni az elektron szerkezetüket, és növelni kémiai kompatibilitásukat. A projekt során létrehozunk működőképes fotovoltaikus eszközöket, amikhez felhasználjuk az előzőekben leírt módosított anyagokat. Ezen eszközök vizsgálata segítségével tovább finomíthatjuk a kémiai eljárásokat a még stabilabb perovszkit alapú napelemek létrehozása érdekében.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A perovszkitok instabilitása a környezeti hatásokra komolyan hátráltatja az alkalmazhatóságukat. Míg a belőlük készült napelemek jó hatékonysággal rendelkeznek, ez a hatékonyság rögtön csökkenni kezd mihelyt fény, oxigén vagy nedvesség éri őket. A tervünk a perovszkitok stabilitásának növelése és alacsony dimenziós szén szerkezetek napelembe történő integrálása. Mivel a perovszkitok instabilitásának oka főként a határfelületekhez köthető, a tervünk olyan alacsony dimenziós szerkezetek létrehozása, amik a perovszkit stabilitását növelik. Ehhez az első lépés az instabilitás okainak felderítése. Habár sok tanulmány foglalkozik a jelenség fizikai és kémiai okaival, az eredmények még vita tárgyát képezik. A fő probléma, hogy a perovszkit alapvetően érzékeny a környezetre, ezért különös figyelmet kell fordítani a mintakészítés során ezen káros hatások kizárására. A laboratóriumunkban található inert gázzal töltött szárazdoboz segítségével ez a probléma megoldható, továbbá a spektroszkópiai vizsgálatok nagyrésze a szárazdobozban kivitelezhető. Ezzel kizárhatjuk a környezeti hatásokat és a vizsgálatainkkal koncentrálhatunk a hő és fényérzékenység megoldására. Fény hatására a perovszkit rétegben töltéshordozók keletkeznek. Ezek a töltött részecskék helyileg torzítják a szerkezetet. Az így keletkező feszültséget gondolják a fény keltette degradáció egyik lehetséges okának, ezért nagy hatékonyságú töltés szállító rétegek segítségével nem csak az eszköz hatásfokát tudjuk növelni, hanem a stabilitását is. Erre a célra többféle módosított alacsony dimenziós anyagot tervezünk kipróbálni (fullerének, nanocsövek, grafén)
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A projekt a perovszkitok és alacsonydimenziós anyagokra fókuszáló alapkutatás, ami ezen anyagok optikai és transzporttulajdonságainak vizsgálatával foglalkozik. Az alacsonydimenziós anyagok esetében kémiai módosítással növeljük a rétegek vezetőképességét és szelektivitását lyukakkal vagy elektronokkal szemben. Az így kapott új anyagok fontos alkotóelemei a tervezett napelemnek, de önmagukban is érdekesek alapkutatási szempontokból és olyan alkalmazások szempontjából ahol fontos az optikai átlátszóság és a jó vezetőképesség. A perovszkitok módosítása a fényérzékenységük megszüntetése céljából történik. Ez nyilvánvalóan fontos a napelemek esetében, de ugyanennyire jelentős egyéb optoelektronikai felhasználásuk szempontjából is. Az alapkutatási célokon túl lépéseket teszünk az alkalmazások felé, és összeállítunk működő prototípusokat a kutatás során előállított módosított alapanyagok segítségével. Ez egyrészt segít minket abban, hogy a működés során mért adatokat felhasználva javítsunk a módosított összetevők tulajdonságain, de egy működő eszköz jó kiindulópontja lehet egy jövőbeli kutatás-fejlesztési együttműködésnek is. A perovszkitok ideálisak fotovoltaikus alkalmazások céljából. Az, hogy oldat fázisból könnyen készíthető vékonyréteg belőlük további előnyt jelent az olcsó gyártás és a könnyű skálázhatóság miatt. A fő ok, hogy még nincsenek elterjedve, fény és hő stabilitási problémákból illetve környezetre való érzékenységükből adódik. A projekt sikeres teljesítése a fent említett tudományos eredményeken túl nagy lökést jelenthet a perovszkit napelelmek minél szélesebb körű elterjedésében is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A megújuló energiahordozók közül a napfényből tartalamzza a legtöbb energiát. Elég kevesebb mint egy százalékát kiaknázni ahhoz, hogy az emberiség energiafelhasználását fedezni tudjuk. Figyelembevéve az éppen zajló globális felmelegedést, kiemelten fontos, hogy az általunk használt energiahordozóinknál a hangsúlyt a megújuló források felé toljuk. Ennek egyik kivitelezhető módja a napsugárzás energiájának felhasználása olyan eszközökkel ami képesek belőle elektromos energiát előállítani. Ezeket az eszközöket hívjuk napelemeknek. Habár a szilícium alapú napelem technológia több mint négy évtizede velünk van, új ötletek és anyagok merülnek fel újra és újra hogy leváltsák különböző területeken. Az egyik ilyen új anyag a perovszkit ami különösen nagy hatékonyságot mutat a napsugárzás átalakításában méghozzá alacsony előállítási költséggel. De sajnos van egy gond, ezek az anyagok nem elég stabilak hogy hosszan működőképesek maradjanak. Amint napfény éri őket, elkezdik elveszíteni kiváló tulajdonságaikat. Ez egy olyan probléma amit mindenképp orvosolni kell hogy ez az új technológia elterjedhessen. Ebben a projektben a perovszkitok stabilitási problémáját célozzuk megoldani a hozzájuk adott kémiailag módosított nanoszerkezetek segítségével mint pl a nanocsövek és a grafén.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. We are planning to address some of the issues in perovskite solar cell research. The majority of the problems stem from the instability of these photovoltaic materials against heat, illumination or environmental factors like oxygen or moisture. Our strategy is to incorporate low dimensional carbon materials into the layered solar cell structure. Most of these materials are inherently good charge transport layers, although to reach competitive power conversion efficiencies (PCE), chemical modifications are needed. Besides PCE, a key parameter of solar cells, we also focus on the long term light and environmental stability of the devices, since these are the main issues which prevent commercialization. We are going to investigate the properties of each component separately with respect to optical properties, charge transfer efficiency and stability. We are going to focus on the interface of the perovskites and the enclosing layers to identify and mitigate possible stability issues. Our strategy to handle the emerging difficulties is the application of chemical modification to tailor the electronic structure and chemical compatibility of the materials. Our research group has a well-established background in carbon nanostructure research and in the last few years we have started working on perovskite solar cell materials. This project is also aimed at making a step towards application and planning working photovoltaic devices using the materials we have developed. The characterization of these devices under working environment will provide additional feedback to the chemical modification and design of complex structures involving low dimensional materials and perovskites.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The instability of the perovskite materials severely hinders their applicability. While competitive PCEs have been reported, the devices show degradation over time when exposed to light, oxygen and moisture. We are planning to improve the stability of selected perovskites and incorporate chemically modified low-dimensional materials into the solar cell structure. Since most of the degradation is related to the interface of the perovskite and the enclosing layers, our goal is to design these low-dimensional structures to enhance the stability. The first step towards stabilization is understanding the cause. While many studies in the literature attempted to explain the underlying chemical and physical processes, the results are still under debate. The main issue is the inherent environmental sensitivity of the perovskite. Care has to be taken during the entire process of device fabrication. We are going to eliminate this issue by using a glovebox filled with inert gas during the sample preparation and most of the spectroscopic investigation. With controlled sample preparation we will be able to investigate the underlying stability issues related to heat and illumination.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The project focuses on perovskites and low-dimensional structures.At the core of the project is fundamental research concerning the opticaand transport properties of these materials. In case of low-dimensional structures, we will apply chemical modifications to improve the charge transfer properties and transport selectivity towards electrons or holes. The resulting new materials will be essential parts of the assembled solar cells, but they are also interesting on their own with respect to fundamental science or other applications requiring optical transparency and conductivity The modifications of the perovskite materials are directed towards the elimination of light induced degradation. While this is obviously beneficiary for solar cells, it is equally important for other optoelectronic applications. Besides fundamental research we are going to take a step towards applications and assemble proof-of-concept devices based on the newly developed components. This will help us to provide feedback on the effectiveness of the modification processes. A working prototype can be a good starting point for an application oriented R&D project inthe future. Perovskites are ideal candidates for photovoltaic applications. The possibility to produce thin layers from solutions makes manufacturing affordable and easily scalable. The main reason why these novel solar cells are not commercially available is their environmental instability and light sensitivity. The successful completion of the project, besides the aforementioned scientific results, will provide a huge leap toward commercialization and widespread utilization of this exciting new family of materials. As in case of every hot topic in research, the number of competing groups is large and still increasing. While the vast majority of the researchers concentrate on reporting even higher power conversion efficiencies, we have selected a topic with equal importance, the stability of these materials. Our contribution to this topic will be based on the expertise of the research group and by the available high quality research infrastructure.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Among the different sources of renewable energy, sunlight is the most abundant. Even by capturing less than a percent of it would easily cover the annual energy consumption of humankind. Considering the threatening climate change it is imperative to shift our source of energy from fossil to renewable. One feasible way is to harness the sunlight by devices capable of producing electrical current when illuminated. These devices are called solar cells. Although silicon-based solar cell technology has been with us for more than four decades, new ideas and materials emerge time after time to replace them in various applications. A new type of material called perovskites proved to be exceptionally effective in converting sunlight into electrical energy at moderate cost. Unfortunately, there is a catch: these materials are not stable enough to operate for long and they start to lose efficiency upon illumination. This is a major flaw which needs to be addressed before any kind of commercialization. In this project we are planning to make these solar cells more stable by mixing them with nanomaterials like graphene or nanotubes.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Az első évben a perovszkitok stabilitásával foglalkoztunk. Olyan oldószereket vizsgáltunk amik a perovszkit minták előállításánál illetve utókezelésénél használnak. Az eredményeink elősegítették stabilabb minták előállítását.
Elkezdtük az építését egy perovszkit-napelem tesztelő munkaállomásnak, de nem várt nehézségek miatt ez lassan haladt. Közben áttértünk a perovszkitok stabilitásának naoskálán történő vizsgálatára. Ehez egy szórásitípusú infravörös közeltér mikorszkópot használtunk (s-SNOM), amivel 20nm-es térbeli felbontással lehet a minták spektrális tulajdonságait vizsgálni.
Sajnos a csoportunkból időközben távoztak tagok akinek munkája kulcsfontosságú volt a projekt szempontjából. Bár igyekeztünk a megmaradt tagok között szétosztni a feladatokat, nem tudtunk olyan stabil perovszkit mintákat előállítani amivel a kísérleti munkát folytatni tudtuk volna. Miközben új munkatársakat kerestünk, a kutatásainkat elméleti irányban folytattuk.
A s-SNOM módszer elméleti leírása még nem kiforrott, az utolbbi évben egy általános Mie-szóráson alapuló módszert dolgoztunk ki a közeltér szórás leírására. Ennek segítségével jobban értelmezhetőek a kísérleti adatok.
Sajnos a nem sikerült megfelelő kutatókat találni a mintaelőállításra, és közben a vezető kutató is a Wigner FK elhagyása mellett döntött, így a projek idő előtti lezárását kértük.
kutatási eredmények (angolul)
In the first year we have investigated the stability of single and mixed halide perovskite against various solvents commonly used during perovskite device fabrication for processing and also for surface passivation. Our findings helped us to prepare more stable samples and to avoid incompatible chemicals.
We started building a solar cell evaluation platform, but due to unforseen difficulties the progress was slow. In the meanwhile we have turned to the more in depth study of the perovskites regarding their stability when exposed to light and different levels of humidity. We have utilized near-field infrared microscopy (s-SNOM) to investigate locally (20nm spetial resolution) the source of degradation and shed light on the underlying mechanism.
Due to the leaving members we had to reassign certain tasks among the remaining personels. Unfortunately we were not able to produce high quality perovskite sample to continue the experimental work. While searching for candidates to help us in this area we have turned to more theoreticel topics.
During the last year we have developed a new approach for the calculation of the near field scattered light. This allows the more precise prediction and explanation of the s-SNOM results.
Unfortunately we were not able to find qulified researchers for the perovskite production task, and also the Principal Investigator terminated his contract with Wigner RC. Due to these circumstances we have applied for the early termination of the project.
Mehmet Derya Özeren, Áron Pekker,Katalin Kamarás, Bea Botka: Evaluation of surface passivating solvents for single and mixed halide perovskites, RSC Advances (accepted: 2022.09.26.), 2022
Mehmet Derya Özeren, Áron Pekker,Katalin Kamarás, Bea Botka: Evaluation of surface passivating solvents for single and mixed halide perovskites, RSC ADVANCES 12 : 44 pp. 28853-28861., 2022
